Introduzione alla Compatibilita' Elettromagnetica Parte Terza

BREVE STORIA DELLA EMC (Continua)

Continuiamo il nostro excursus storico sulla compatibilità elettromagnetica, da dove eravamo arrivati nella parte seconda di questo articolo.

Nel 1904, Theodore Roosevelt (1858, 1919) firmò un ordine esecutivo che autorizzava il Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti a regolamentare tutte le stazioni radio private e quelle della Marina ed a regolamentare tutte le stazioni governative (e tutte le stazioni radio in tempo di guerra). A diversi tipi di radiotrasmettitori furono assegnati diversi tipi di frequenze e spesso fu permesso di operare solo in determinati periodi per ridurre il potenziale effetto della RFI.

Nel 1906, per ridurre significativamente la larghezza di banda dei trasmettitori e dei ricevitori senza fili, furono impiegati vari schemi di filtri e circuiti di sintonizzazione, tutti utili a ridurre la larghezza di banda dei trasmettitori e dei ricevitori. Tuttavia, fu l'invenzione dell'oscillatore con tubo a vuoto (oscillatore a Valvola) nel 1912 e del ricevitore super eterodina nel 1918 a rendere possibile la trasmissione e la ricezione a banda veramente stretta. Questi sviluppi hanno anche reso possibile la trasmissione della voce in maniera ragionevolmente chiara e comprensibile, che ha spianato poi la strada alle trasmissioni radio commerciali.

Il periodo che va dal 1925 al 1950 circa è noto come l'età d'oro della radiodiffusione. Durante questo periodo la popolarità della radio crebbe vertiginosamente. Con il proliferare delle radio, crebbero anche i problemi di compatibilità elettromagnetica. L'RFI era un problema comune perché le norme che regolamentavano l'interferenza intenzionale o non intenzionale con una trasmissione radio commerciale erano poco stringenti, e più persone avevano accesso alle apparecchiature radio trasmittenti (ad esempio i radioamatori). Per alleviare questo problema, fu istituita nel 1934 la Commissione Federale per le Comunicazioni (FCC) come agenzia indipendente del governo degli Stati Uniti. Aveva il potere di regolamentare le comunicazioni interstatali ed estere degli Stati Uniti via radio, e via cavo. I regolamenti della FCC e i requisiti per la concessione di licenze, hanno ridotto in modo significativo il numero di problemi di interferenze a radiofrequenza.

Tuttavia, a causa del crescente numero di ricevitori radio nelle case, il pubblico fu introdotto a una serie di nuovi problemi di compatibilità elettromagnetica. Fonti di radiazioni elettromagnetiche involontarie, come temporali, motori a benzina e apparecchi elettrici, hanno spesso creato problemi di interferenza maggiori rispetto ai trasmettitori radio commerciali.

Anche l'interferenza tra i vari sistemi elettrici incominciava a diventare una preoccupazione crescente. I ricevitori super eterodina contengono il loro oscillatore locale, che doveva essere isolato da altre parti del circuito della radio. Le radio e i fonografi erano raggruppati in un unico spazio nei sistemi di intrattenimento domestico. Le radio erano installate in automobili, ascensori (per filo diffusione), e aerei. Gli sviluppatori e i produttori di questi sistemi trovarono necessario sviluppare tecniche di messa a terra, schermatura e filtraggio migliori, al fine di far funzionare al meglio i loro prodotti.

Negli anni '40 furono sviluppati molti nuovi tipi di trasmettitori e ricevitori radio che furono impiegati, per l'uso, durante la seconda guerra mondiale. I segnali radio non furono usati solo per le comunicazioni, ma anche per localizzare navi e aerei (RADAR) e per disturbare le comunicazioni radio nemiche. A causa della necessità immediata per motivi bellici, queste apparecchiature furono installate in fretta e furia su navi e aerei, causando gravi problemi di compatibilità elettromagnetica.

Le esperienze sviluppate con problemi di compatibilità elettromagnetica durante la guerra portarono allo sviluppo del primo standard congiunto Esercito - Marina RFI, JAN-I-225, "Radio Interference Measurement", pubblicato nel 1945 (Joint Army-Navy Specification, 1945; "Methods Of Radio Interference Measurement, JAN-I-225. 150 kc to 20 Mc," Army No. 71-3233, Navy No. 16-I-14). Con questo standard molta più attenzione fu dedicata ai problemi RFI ed in generale, alle tecniche di messa a terra, schermatura e filtraggio in particolare. La compatibilità elettromagnetica divenne una specializzazione ingegneristica in modo simile alla progettazione di antenne o alla teoria delle comunicazioni.

Nel 1954 si tenne la prima Conferenza della Fondazione per la Ricerca sulle Interferenze a Radio Frequenza. Questa conferenza annuale fu sponsorizzata sia dal governo che dall'industria. Tre anni dopo, il Gruppo Professionale sulle Interferenze a Radio Frequenza fu istituito come il più aggiornato tra i diversi gruppi professionali dell'Istituto degli Ingegneri Radio. Oggi, questo gruppo è conosciuto come la Società di Compatibilità Elettromagnetica dell'Istituto degli Ingegneri Elettrici ed Elettronici (IEEE).

Durante gli anni '60, i dispositivi e i sistemi elettronici divennero una parte sempre più importante della nostra società e furono cruciali nell’ambito difesa nelle varie nazioni. Una portaerei, ad esempio, impiegava 35 trasmettitori radio, 56 ricevitori radio, 5 radar, 7 sistemi di aiuto alla navigazione e ben oltre 100 antenne. Durante la guerra del Vietnam, le navi della Marina militare Americana, erano spesso costrette a spegnere i sistemi critici per consentire il funzionamento di altri sistemi. Questa situazione allarmante focalizzò ancora di più l'attenzione sulla questione della compatibilità elettromagnetica. Al di fuori dell'esercito, la crescente dipendenza da computer, satelliti, telefoni, radio e televisione ha reso la potenziale suscettibilità ai fenomeni elettromagnetici una preoccupazione molto seria.

Gli anni '70 hanno visto lo sviluppo del microprocessore e la proliferazione di piccoli dispositivi a semiconduttori a basso costo e a bassa potenza. I circuiti che utilizzavano questi dispositivi erano molto più sensibili ai campi elettromagnetici deboli rispetto ai vecchi circuiti con tubi a vuoto. Di conseguenza, maggiore attenzione è stata rivolta alla soluzione di un numero crescente di problemi di suscettibilità elettromagnetica che si sono verificati con questi circuiti.

Oltre ai tradizionali problemi di suscettibilità elettromagnetica irradiata (RES) a causa di trasmettitori a radiofrequenza intenzionali e non intenzionali, tre classi di problemi di suscettibilità elettromagnetica hanno guadagnato importanza negli anni '70. Forse la più familiare di queste è la scarica elettrostatica (ESD). Una scarica elettrostatica si verifica ogni volta che due oggetti con un potenziale elettrico significativamente diverso si incontrano. La "scarica" che si avverte quando una persona raggiunge il pomello di una porta dopo aver camminato su un tappeto in una giornata asciutta è un esempio comune a tutti noi. Anche le scariche troppo deboli per essere percepite, tuttavia, sono in grado di distruggere i dispositivi a semiconduttore.

Un altro problema di suscettibilità elettromagnetica che ha guadagnato notorietà durante gli anni '70 è stato indicato come EMP o Impulso Elettromagnetico. I militari si resero conto, durante i loro esperimenti, che una detonazione ad alta quota di una testata nucleare avrebbe generato un impulso estremamente intenso di energia elettromagnetica su un'area molto ampia. Questo impulso poteva facilmente danneggiare o disattivare i sistemi elettronici, soprattutto quelli critici. Per affrontare questo problema, fu avviato uno sforzo significativo per sviluppare tecniche di schermatura e di protezione dalle sovratensioni che avrebbero protetto i sistemi critici in una situazione del genere.

L'emergere di un terzo problema di suscettibilità elettromagnetica, la suscettibilità ai transitori delle linee elettriche (PLT), è stata anche una diretta conseguenza dell'aumento dell'uso di dispositivi a semiconduttori. I circuiti con tubi a vuoto generalmente, richiedevano enormi alimentatori che tendevano ad isolare l'elettronica dal rumore sulla linea di alimentazione. I dispositivi a semiconduttori ad alta velocità e a bassa potenza erano invece molto più sensibili ai transitori e i loro modesti requisiti di potenza, spesso, comportavano l'uso di alimentatori relativamente piccoli e a basso costo che non fornivano sufficiente isolamento dalla linea di alimentazione. Inoltre, proprio il basso costo di questi dispositivi fece sì che la maggior parte di essi si trovasse in case e uffici dove la distribuzione dell'energia elettrica non è generalmente ben regolata ed anzi, è relativamente rumorosa.

L'enfasi posta sulla suscettibilità elettromagnetica durante gli anni '70 fu esemplificata dal numero di gruppi di lavoro, procedure di prova e standard di prodotto che affrontarono i problemi di suscettibilità emersi durante questo decennio. Un'organizzazione fondata nel 1982, nota come Associazione EOS/ESD Inc. (Electrostatic Discharge Association, ESDA) si occupa esclusivamente dei problemi di suscettibilità di cui sopra. L'Associazione EOS/ESD, Inc. (https://www.esda.org/) iniziò con meno di 100 membri, e ora è cresciuta fino a raggiungerne oltre 15.000 tra membri e volontari in tutto il mondo. Inizialmente era focalizzata sull'ESD dei componenti elettronici, nel tempo l'Associazione ha ampliato i suoi orizzonti per includere aree come: il tessile, la plastica, la lavorazione in ambito web, le camere bianche e le arti grafiche. Per soddisfare le esigenze di un ambiente in continuo cambiamento, l'Associazione EOS/ESD Association, Inc. è stata creata per espandere la consapevolezza dell'ESD attraverso standard, sviluppo, programmi educativi, eventi locali, pubblicazioni, tutorial, certificazioni e simposi. È l'unica organizzazione accreditata dall'American National Standards Institute (ANSI) a scrivere e produrre standard sull'elettrostatica.

Un altro cambiamento che si è verificato durante gli anni '60 e '70 fu il graduale spostamento del termine RFI dal termine più generale EMI o “interferenza elettromagnetica”. Poiché non tutti i problemi di interferenza si verificavano a frequenze radio, l’uso della dicitura EMI era considerata una nomenclatura più descrittiva. Le EMI sono spesso classificate come EMI irradiate o EMI condotte a seconda del percorso di accoppiamento. In un mio precedente articolo nel blog di ALTIUM, ho discusso ampiamente di questo fenomeno e di come eseguire le misure sui circuiti (“Problemi EMI nella progettazione di dispositivi wireless”).

Due eventi negli anni '80 hanno avuto effetti significativi e ad ampio raggio sul campo della compatibilità elettromagnetica:

• L'introduzione e la proliferazione di personal computer e workstation a basso costo.
• Le revisioni della parte 15 delle norme e dei regolamenti della FCC che ponevano limiti alle emissioni elettromagnetiche dei dispositivi di calcolo.

La proliferazione dei computer a basso prezzo è stata certamente importante per due motivi. In primo luogo, un gran numero di consumatori e produttori si sono incanalati nella produzione di un prodotto che era al tempo stesso una fonte e un recettore significativo di problemi di compatibilità elettromagnetica. In secondo luogo, la disponibilità di dispositivi computazionali in grado di poter effettuare a basso costo calcoli ad alta velocità, ha stimolato lo sviluppo di una varietà di tecniche di analisi numerica che hanno avuto un'influenza schiacciante sulla capacità degli ingegneri di analizzare e risolvere i problemi di compatibilità elettromagnetica.

Le norme FCC che regolano l'EMI dei dispositivi di calcolo sono state introdotte gradualmente tra il 1980 e il 1982. Esse richiedevano che tutti i dispositivi elettronici che funzionassero a frequenze di 10 kHz o superiori e che impiegavano "tecniche digitali", dovevano soddisfare i limiti rigorosi che regolavano le emissioni elettromagnetiche irradiate dal dispositivo o accoppiate alle linee elettriche. Praticamente tutti i computer e le periferiche per computer venduti o pubblicizzati negli Stati Uniti e poi nel mondo, dovevano (e devono!) soddisfare questi requisiti. Molti altri paesi, attraverso le loro istituzioni, hanno poi stabilito requisiti simili.

Negli anni '90, l'Unione Europea ha adottato norme EMC che andavano ben oltre i requisiti stabiliti dalla FCC. Le normative europee limitavano le emissioni non intenzionali di apparecchi, apparecchiature mediche e un'ampia varietà di dispositivi elettronici che erano esenti dai requisiti FCC. Inoltre, l'Unione Europea ha stabilito i requisiti per l'immunità elettromagnetica di questi dispositivi e ha definito procedure per testare la suscettibilità dei sistemi elettronici ai campi elettromagnetici irradiati, alla potenza condotta e ai disturbi della linea di segnale e alle scariche elettrostatiche.

L'impatto di queste normative è stato travolgente. In un periodo in cui il mercato dei computer stava crescendo in modo esponenziale, molti dei più recenti e avanzati progetti sono stati frenati perché non erano in grado di soddisfare i requisiti EMC stabiliti da queste istituzioni. Le aziende costituirono reparti appositi che si occupassero di EMC, formando i loro ingegneri alla compatibilità elettromagnetica. Un'intera industria emerse per fornire materiali di schermatura, ferriti e filtri alle aziende di computer. Proliferarono corsi accelerati sulla EMC, laboratori di prova, riviste e iniziarono ad apparire i primi consulenti in tutto il mondo. L'attenzione internazionale focalizzata sull'EMC incoraggiò ulteriori ricerche e furono fatti progressi significativi verso lo sviluppo di procedure di prova più complete e di standard.

Negli ultimi 20 anni, diverse tendenze tecnologiche hanno avuto un profondo impatto sulla rilevanza dell'EMC e sugli strumenti disponibili per garantirla. L'emergere dell'Internet of things (IoT) ha portato ad una crescita esponenziale del numero di sistemi elettronici che devono funzionare in modo affidabile in ambienti elettromagnetici sempre più complessi. L'introduzione di veicoli autonomi e la maggiore dipendenza della società dai computer per garantire la sicurezza pubblica, ha portato ad una maggiore attenzione sull'affidabilità dei sistemi elettronici. C'è meno spazio per gli errori quando si tratta di specificare requisiti EMC significativi e di progettare prodotti che siano garantiti per soddisfare tali requisiti.

Negli ultimi 20 anni ci sono stati significativi progressi che hanno permesso di aiutare gli ingegneri ed i progettisti ad anticipare e correggere i potenziali problemi EMC. Con l'aiuto di strumenti di modellazione elettromagnetica sempre più sofisticati, i ricercatori hanno sviluppato una comprensione molto maggiore dei meccanismi di accoppiamento responsabili dei problemi EMC. 

Con ALTIUM Design^®, la sua suite di progettazione e simulazione di circuiti, ad esempio, viene facilitato di molto il lavoro del progettista, avendo a disposizione tutti i tools utili ad una corretta progettazione di un PCB che sia in grado di garantire il miglior approccio possibile per una corretta analisi e lo sviluppo atto a ridurre i problemi di EMI (Figura 3).

Figura 3 – Una scheda mini PC con ALTIUM Design^®

Nel tempo, attraverso i software, sono stati sviluppati modelli in grado di anticipare gli scenari peggiori e di assistere nello sviluppo di prodotti che sono garantiti per soddisfare i loro requisiti EMC. Non bisogna dimenticare che ci sono stati anche significativi progressi tecnologici relativi ai componenti e ai materiali disponibili per ridurre o eliminare gli accoppiamenti elettromagnetici indesiderati. Ne sono un esempio i nuovi materiali di schermatura leggeri e a basso costo che utilizzano nano strutture, materiali assorbenti più sottili e più efficaci, componenti di filtro passivo più piccoli, componenti di soppressione dei transienti più efficaci e dispositivi digitali più sofisticati in grado di ridurre le emissioni e di aumentare l'immunità elettromagnetica.

Nel prossimo articolo conclusivo, cercherò di dare una panoramica sul presente della EMC e dell’EMI, soprattutto in vista degli sviluppi futuri in ambito tecnologico.